(57)【要約】  複数の電極１２、１４と、該電極１２、１４間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０を含むカーボンナノチューブとを備え、前記電極１２、１４への通電により金属カーボンナノチューブ１０が発熱して発光する黒体放射によって、発光波長域の広い高速変調可能な発光を行うようにする。これにより、情報通信電気電子分野で用いるのに好適な、高速変調できる連続スペクトル光源を実現可能とする。
2011135978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、
該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブとを備え、
前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、発光波長域の広い高速変調可能な発光を行うようにしたことを特徴とするカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項２】
前記金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項３】
少なくとも前記金属カーボンナノチューブの表面が絶縁体で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボンナノチューブ発光素子を備えたことを特徴とする光源。
【請求項５】
金属カーボンナノチューブが、光ファイバと直交するように、透明基板上に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項６】
金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設され、該基板の表面と平行な方向に発光するようにされていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項７】
金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設され、該基板の表面と垂直な方向に発光するようにされていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボンナノチューブ発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ発光素子、光源及びフォトカプラに係り、特に、情報通信電気電子分野で用いるのに好適な、高速変調できる連続スペクトル光源を実現可能なカーボンナノチューブ発光素子、該カーボンナノチューブ発光素子を用いた光源及びフォトカプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、光励起によって発光を観測するフォトルミネッセンス測定により発光が観測されたことを皮切りに研究が精力的に進められているが、近年は電流注入による発光が観測されたことから発光素子としても期待されている。カーボンナノチューブを用いた発光素子は、非特許文献１〜８に報告されている。しかし、カーボンナノチューブ発光素子の高速変調性は、これまで全く研究・開発の報告がされておらず、未開拓であった。【０００３】
カーボンナノチューブ発光素子の発光のメカニズムは、（ａ）電子・正孔の再結合による発光と、（ｂ）黒体放射による発光の２つに分けられる。【０００４】
（ａ）電子・正孔の再結合による発光について
現在、精力的に研究が進められているのは、主にこの発光機構である。電子・正孔の再結合による発光は、半導体カーボンナノチューブ中に何らかの方法により電子と正孔を励起し、それらの再結合によって発光するものである。現在の固体半導体における発光ダイオード（ＬＥＤ）に対応する発光原理である。【０００５】
励起方法としては、（ｉ）電子・正孔注入励起、（ii）衝突励起、（iii）加熱励起が報告されている。（ｉ）は、カーボンナノチューブに形成した２つの電極から電子と正孔をそれぞれ反対方向より注入し、それらの再結合で発光するものである。（ii）は、電極から高い運動エネルギーをもつ正孔（または電子）を注入し、その運動エネルギーを失う際のエネルギーで電子・正孔ペア（励起子）を生成し、励起子の緩和により発光するものである。（iii）は、カーボンナノチューブに通電した際のジュール熱等による加熱による熱エネルギーで電子を励起し、電子が正孔と緩和する際に発光するものである。【０００６】
（ｂ）黒体放射による発光について
あらゆる物質は、絶対零度を超える温度において熱による電磁波の放射（黒体放射）が見られる。この黒体放射では、その発光スペクトルはプランク則によって記述されるとともに、熱放射のエネルギーは温度Ｔの４乗に比例するステファン・ボルツマン則に従う。この黒体放射は、現在は例えば電球のタングステンフィラメントとして用いられていて、照明等に利用されている。【０００７】
カーボンナノチューブにおいても、カーボンナノチューブを束ねてフィラメント状にしたものを用いて、通電による加熱でフィラメントと同様に発光することが報告されている（非特許文献９）。しかし、フィラメント状の発光は、タングステンの電球と同様に高速でのオンオフ変調は不可能である。また、数μｍ程度の太い束状の多層カーボンナノチューブ（非特許文献１０）や直径１３ｎｍ程度の太い多層カーボンナノチューブを基板上に配置して（非特許文献１１）、通電による黒体放射を観測した例も報告されていて、プランク則に従うことが示されているが、太いカーボンナノチューブでは高速変調が難しく、高速変調は試みられていない。【０００８】
また、黒体放射は、発光ダイオードやレーザーダイオードとは異なり、広い波長範囲において連続的なスペクトル（連続スペクトル光源）を得られる特徴がある。しかし、従来のフィラメント等による黒体放射では、高速の変調性は有していないため、現状では高速変調可能な連続スペクトル光源は存在しない。【０００９】
また、これまで報告されている発光素子では、一本のカーボンナノチューブを用いたものと多数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ薄膜（カーボンナノチューブネットワーク）の２つに大別される。【００１０】
一本のカーボンナノチューブ発光素子は、非特許文献１〜６によって報告されるとともに、非特許文献７、８では、数本のカーボンナノチューブが絡まって一束となったバンドル状と呼ばれるカーボンナノチューブを一束用いて、発光を観測している。一本または一束のカーボンナノチューブを用いた発光素子は、単一の発光を取り出しやすく、スペクトルの幅が狭いという特徴を有する。しかし、（１）カーボンナノチューブを成長した基板を顕微鏡により観察して一本のカーボンナノチューブを探し出す、または、（２）多くの作製した素子の中から、偶然一本に電極形成された素子を選び出す必要がある。そのため、素子の歩留まりは悪いのが一般的である。【００１１】
一方、カーボンナノチューブ薄膜（またはネットワーク）を用いた発光素子は、出願人が特許文献１で提案しているが、歩留まり良く素子を作製することが出来る。ただし、発光スペクトルは、一本のものと比べてブロードになる特徴がある。また、非特許文献７、８においても薄膜状のカーボンナノチューブ素子からの発光が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−２８３３０３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】J. A. Misewich et al., Science 300, 783 (2003)
【非特許文献２】Freitag, M.; Chen, J.; Tersoff, J.; Tsang, J. C.; Fu, Q.; Liu, J.; Avouris, Ph. Phys. ReV. Lett. 2004, 93, 076803.
【非特許文献３】Freitag, M.; Perebeinos, V.; Chen, J.; Stein, A.; Tsang, J. C.; Misewich, J. A.; Martel, R.; Avouris, Ph. Nano Lett. 2004, 4, 1063.
【非特許文献４】Chen, J.; Perebeinos, V.; Freitag, M.; Tsang, J. C.; Fu, Q.; Liu, J.;Avouris, Ph. Science 2005, 310, 1171.
【非特許文献５】Marcus Freitag, James C. Tsang, John Kirtley, Autumn Carlsen, Jia Chen, Aico Troeman, Hans Hilgenkamp, and Phaedon Avouris, Nano Letters 6, 1425 (2006)
【非特許文献６】DAVID MANN, Y. K. KATO, ANIKA KINKHABWALA, ERIC POP, JIEN CAO, XINRAN WANG, LI ZHANG, QIAN WANG, JING GUO AND HONGJIE DAI, Nature nanotechnology, 2, 33 (2007).
【非特許文献７】L. Marty, E. Adam, L. Albert, R. Doyon, D. Me´nard, and R. Martel, Phys. Rev. Lett. 96, 136803 (2006)
【非特許文献８】E. Adam, C. M. Aguirre, L. Marty, B. C. St-Antoine, F. Meunier, P. Desjardins, D. Me´nard, and R. Martel, Nano Letters, 8, 2351 (2008)
【非特許文献９】Jinquan Wei, Hongwei Zhu, Dehai Wu, Bingqing Wei, APPLIED PHYSICS LETTERS 84, 4869 (2004)
【非特許文献１０】Peng Li, Kaili Jiang, Ming Liu, Qunqing Li, and Shoushan Fan, Jialin Sun, APPLIED PHYSICS LETTERS 82, 1763 (2003)
【非特許文献１１】Yuwei Fan, S. B. Singer, Raymond Bergstrom, and B. C. Regan, PHYSICAL REVIEW LETTERS 102, 187402 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来報告されているカーボンナノチューブ発光素子は、直流電圧または直流電流によって駆動する変調無しの発光素子である。光通信や光集積回路で使用する場合は、高速で変調してオンオフする必要があるため、従来のカーボンナノチューブ発光素子は光による情報通信には使用することが出来ない。大量の情報を光通信により伝送するためには、高速で変調する発光素子が必要である。【００１５】
また、現在高速変調に利用されている発光ダイオードやレーザーダイオードは、特定のエネルギー間の緩和に伴う発光を利用しているため、広い波長範囲で連続的なスペクトル（連続スペクトル光源）を得ることが出来ない。一方、従来のフィラメントによる連続スペクトル光源は、高速の変調性を有していないため、現状では高速変調可能な連続スペクトル光源は存在しない。【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、高速変調できる連続スペクトル光源を実現可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、その構造（カイラリティー）に依存して、バンドギャップを有する半導体カーボンナノチューブとバンドギャップを有しない金属カーボンナノチューブが存在する。このうち半導体カーボンナノチューブを用いた場合、電極金属との接合付近において半導体と金属の接合に伴うショットキーバリアが発生する。これは、電極からカーボンナノチューブへのキャリア注入の妨げとなるため、半導体カーボンナノチューブでは黒体放射を得るための電圧が上昇する。一方、金属カーボンナノチューブでは、ショットキーバリアが発生しないことから、効率よくキャリアが注入される。一本の金属カーボンナノチューブと半導体カーボンナノチューブを比較した場合、図１に示すように、１Ｖの印加電圧では、金属カーボンナノチューブでは１０μＡ程度の電流が流れる（図１（ａ）参照）のに対して、半導体カーボンナノチューブでは数十ｎＡ程度の電流しか流れない（図１（ｂ）参照）。従って、金属カーボンナノチューブでは、半導体カーボンナノチューブよりも非常に低い電圧で黒体放射を実現できる。【００１８】
一般に、カーボンナノチューブを生成させると、金属カーボンナノチューブと半導体カーボンナノチューブが混在する。複数のカーボンナノチューブを用いた場合、その中に一本でも金属カーボンナノチューブが存在すれば、金属カーボンナノチューブから発光する。また、最近になって、金属カーボンナノチューブを分離する技術として、電気泳動や遠心分離によって金属と半導体カーボンナノチューブを分離する技術が開発されているので、これによって金属カーボンナノチューブだけを用いて発光素子を作成することも可能である。【００１９】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、複数の電極と、該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブとを備え、前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、発光波長域の広い高速変調可能な発光を行うようにして、前記課題を解決したものである。【００２０】
ここで、前記金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設して、放熱性を高めることができる。【００２１】
又、少なくとも前記金属カーボンナノチューブの表面を絶縁体で覆うことができる。【００２２】
本発明は、又、前記のカーボンナノチューブ発光素子を備えたことを特徴とする光源を提供するものである。【００２３】
ここで、金属カーボンナノチューブを、光ファイバと直交するように、透明基板上に配設することができる。【００２４】
又、金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設し、該基板の表面と平行な方向に発光するようにすることができる。【００２５】
あるいは、金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設し、該基板の表面と垂直な方向に発光するようにすることができる。【００２６】
本発明は、又、前記のカーボンナノチューブ発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラを提供するものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、金属カーボンナノチューブに電極を形成するだけで、高速変調可能な発光素子が得られる。この変調性は、光通信に応用した場合、最低でも１〜３Ｇｂｐｓ程度の超高速通信が期待される。また、Ｓｉ基板など様々な基板上に集積して作製することも容易である。そのため、光ファイバを用いた光通信や集積回路上への発光素子作製による光集積回路など、極めて多くの電子・情報通信分野に応用可能である。【００２８】
また、本発明によれば、従来の発光ダイオードやレーザーダイオードでは不可能な広い波長範囲において連続的なスペクトル（連続スペクトル光源）を得られる特徴がある。従来のフィラメント等による黒体放射では、高速の変調性は有していないため、現状では高速変調可能な連続スペクトル光源は存在しないが、本発明により、高速変調可能な連続スペクトル光源が実現される。【００２９】
本発明は、非常に高速に変調可能な発光素子について、（ａ）化合物半導体とは異なり、シリコン上に容易に集積化が可能、（ｂ）化合物半導体などに用いられる高価な半導体製造装置が不要なため、安価に製造可能、などの特徴を有している。そのため、光ファイバ通信だけではなく、シリコン基板上への光集積回路、チップ間やボード間の短距離情報伝送、フォトカプラなど、高速変調性を必要とする様々な応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】カーボンナノチューブの電圧電流特性を示す図
【図２】本発明の第１実施形態である発光素子の構成を示す斜視図
【図３】第１実施形態に電圧を印加した際の発光スペクトル図
【図４】同じくパルス電圧を印加した際の（Ａ）印加電圧から計算される発光時間分解測定結果、及び（Ｂ）観測された発光時間分解測定結果と立ち上がり、立ち下がり時間のフィッティング結果を示す図
【図５】同じく１ｎｓパルス印加時の発光時間分解測定結果を示す図
【図６】本発明の第２実施形態である発光素子の構成を示す断面図
【図７】本発明に係る発光素子が用いられた連続スペクトル光源である本発明の第３実施形態を示す分解斜視図
【図８】同じく第４実施形態の構成を示す斜視図
【図９】同じく第５実施形態の構成を示す（Ａ）斜視図及び（Ｂ）断面図
【図１０】同じく第６実施形態の構成を示す（Ａ）斜視図及び（Ｂ）断面図
【図１１】本発明に係る発光素子が用いられたフォトカプラである本発明の第７実施形態の構成を示す（Ａ）回路図及び（Ｂ）断面図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
本発明の第１実施形態である発光素子は、図２に示す如く、一本（一束）の金属カーボンナノチューブまたは複数の金属カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０を含むカーボンナノチューブ薄膜に対してソース電極１２とドレイン電極１４を形成した素子構造を持つ。
【００３３】
基板２０としては、どのような基板を用いても良く、例えばＳｉ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどソース−ドレイン間が電気的に短絡しなければ、どのような基板を用いても良い。図において、２１は、基板２０上に設けられたＳｉＯ2膜である。
【００３４】
電極１２、１４の形状は、矩形などどのような形状でも良く、発光面積を増やすために櫛型電極にしても良い。また、電極材料は電流が流れる材料であれば、どのような材料でも良く、金属でも半導体でも良い。
【００３５】
図２に示したようにカーボンナノチューブ１０は、ソース−ドレイン電極間に配置される。電極間のカーボンナノチューブは、一本・一束のカーボンナノチューブでも複数のカーボンナノチューブでも良い。複数のカーボンナノチューブの場合は、歩留まりおよび発光強度が向上する。また、カーボンナノチューブであれば、化学気相成長法、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＨｉＰｃｏ法など、どのような成長法によるカーボンナノチューブを用いても良い。また、複数のカーボンナノチューブを用いる場合、複数のカーボンナノチューブの中に一本以上の金属カーボンナノチューブが含まれていれば、金属カーボンナノチューブから発光するため、半導体カーボンナノチューブと金属カーボンナノチューブが混在していてもよい。また、電気泳動や遠心分離により金属カーボンナノチューブのみを分離したものを用いてもよい。
【００３６】
第１実施形態の発光素子で用いるカーボンナノチューブ１０は、基板２０に横たわって接触しているものでも良く、カーボンナノチューブの両端のみが基板に支えられた架橋カーボンナノチューブでも良い。また、カーボンナノチューブは、大気中に露出していても良く、ＳｉＯ2またはガラスやサファイアなどの絶縁体材料に覆われているカーボンナノチューブでも良い。ただし、カーボンナノチューブが大気中の酸素と反応して損傷することから、カーボンナノチューブが絶縁体材料に覆われているか、真空中に保持されている方が、酸素との反応によるカーボンナノチューブの損傷を防ぐことが出来るので好ましい。
【００３７】
第１実施形態の発光素子に電圧（４Ｖ）を印加した際の発光スペクトルの例を図３に示す。この発光素子は、基板２０に横たわって接触している多数のカーボンナノチューブ１０を用いた発光素子の例である。長波長側に見られる緩やかな発光は、通電によりカーボンナノチューブ１０が発熱することによる黒体放射による発光である。この長波長側の発光に対して、パルス電圧を印加した際の発光の時間分解測定の観測結果を図４に示す。また、図４には、印加されているパルス電圧（４Ｖ）から見積もられた発光強度の時間依存性も示されている。両者の結果より、印加したパルス電圧に追随した発光パルスが観測される。この発光の時間分解測定の立ち上がり時間・立ち下がり時間をフィッティングにより計算したところ、立ち上がり１ｎｓ、立ち下がり０．１ｎｓが見積もられ、パルス電圧印加による発光の高速変調が可能であることが確認された。この結果は、高速変調された電圧印加に伴い、高速での発光変調が可能であることを示しており、立ち上がり・立ち下がり時間から１Ｇｂｐｓ程度以上の高速光通信が可能であることを示している。また、図５（ａ）に示すような構成の測定装置で、一回の励起によって発生する全光子の時間軸上での強度分布が、一回の励起によって最初に発生する素子１個の時間軸上での発生確率と一致することを利用して、パルス電源６０から１ｎｓのパルス電圧（４Ｖ）を金属ＣＮＴ１０に印加した際にＡＰＤ６２で検出した発光の単一素子計数装置６４による時間分解測定の結果を図５（ｂ）に示す。ＣＮＴ黒体放射発光の応答速度が少なくとも１ＧＨｚ程度であることが確認できた。この時間分解測定は、カーボンナノチューブからの発光を光ファイバを通して測定しており、この発光素子が光ファイバを用いた高速光通信に用いることができることを示している。
【００３８】
この黒体放射による発光の高速変調は、（１）カーボンナノチューブが直径１ｎｍ程度の微小な一次元材料であることに起因して熱容量が非常に小さいこと、（２）カーボンナノチューブの熱伝導率が非常に高いことに起因している。これらに起因して、カーボンナノチューブに通電して発生する熱によって、速やかな昇温、降温が実現されることから、黒体放射にも関わらず高速に発光が変調される。このような黒体放射による発光の高速変調は、一本・一束のカーボンナノチューブ発光素子、および多数のカーボンナノチューブを用いた発光素子の両方で得られる。また、基板に横たわったカーボンナノチューブ発光素子、架橋したカーボンナノチューブ発光素子に関わらず高速変調が可能である。
【００３９】
ただし、この黒体放射の発光原理による高速変調では、少ない熱エネルギーでカーボンナノチューブの温度が速やかに変化することで高速変調が得られることから、高い放熱性を得ることができる基板に接触、または、材料で覆われたナノチューブを使用した場合に、立ち下がり時間の向上が見られる。
【００４０】
また、黒体放射に用いるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ・二層カーボンナノチューブ・多層カーボンナノチューブなどいずれのカーボンナノチューブでも作製可能である。ただし、単層カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブと比べて熱容量が小さくなることから、高速変調特性が向上する。また、多数のカーボンナノチューブを用いたカーボンナノチューブ薄膜を用いる場合、高速変調性を向上させるためには、熱容量が小さく、基板に速やかに熱を逃がした方が高速変調性が向上することから、多くのカーボンナノチューブが太い束になったカーボンナノチューブ薄膜ではなく、個々のカーボンナノチューブが孤立したカーボンナノチューブ薄膜を用いるほうが特性が向上する。
【００４１】
なお長時間の黒体放射を可能するためには、図６に示す本発明の第２実施形態である発光素子のように、絶縁膜１６を設けて、大気中の酸素との反応を防ぐことが望ましい。絶縁膜１６としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＨｆＯ2などの酸化物絶縁体や、ＰＭＭＡなどの高分子材料絶縁体など、絶縁性を有しており光が透過可能であれば、どのような材料の絶縁膜でも良い。
【００４２】
次に、光ファイバに対する入射光源として用いるのに好適な本発明の第３実施形態である連続スペクトル光源を説明する。
【００４３】
本実施形態は、図７に示す如く、第１実施形態と同様な発光素子に対し、光ファイバ３２のコア３４を押し当てて、ＰＭＭＡやエポキシ等の接着剤により接合するようにしたものである。
【００４４】
本実施形態によれば、光ファイバ３２のコア３４に効率良く光を入射することができる。
【００４５】
次に、基板と平行な方向に光を照射するようにした本発明の第４実施形態である連続スペクトル光源を説明する。
【００４６】
本実施形態は、図８に示す如く、Ｓｉ基板２０上に形成されたＳｉＯ2膜２１の上にカーボンナノチューブ１０及び電極１２、１４を配置すると共に、電極１２、１４間にコア３６を配置し、該コア３６の端面から発光するようにしたものである。図において３８は、前記コア３６を覆うクラッドである。
【００４７】
本実施形態によれば、基板２０と平行な方向に光を照射することができる。
【００４８】
黒体放射では連続スペクトルが得られるが、石英光ファイバなどを用いて更なる高速化を行うことを目指した場合、スペクトル幅を狭くすることが有用である。そこで、カーボンナノチューブ発光素子をミラーで挟んだ共振器構造を作製することにより、スペクトル幅の狭い発光素子とし、基板と垂直な方向に光を照射するようにした本発明の第５実施形態である光源を説明する。
【００４９】
本実施形態は、図９（Ａ）（斜視図）及び（Ｂ）（断面図）に示す如く、中心に光が通る孔２０Ａが形成されたＳｉ基板２０を用い、カーボンナノチューブ１０をＳｉＯ2等の誘電体薄膜４０で覆うとともに、該誘電体薄膜４０の上面及びＳｉＯ2膜２１の下面に、例えば金製の薄膜ミラー４２を配置したものである。
【００５０】
本実施形態によれば、スペクトル幅の狭い光を照射することができる。
【００５１】
次に、第５実施形態の上部のミラーを削除して上面から発光を取り出すようにした本発明の第６実施形態を図１０に示す。
【００５２】
本発明は、安価に高速変調光源が得られるため、フォトカプラへの応用が期待される。フォトカプラは、図１１に例示するように、発光素子１０と例えばフォトトランジスタチップのような受光素子５０を対として、電気信号を光に変換して伝達する素子である。フォトカプラでは、入力と出力が電気的に絶縁されており、基準電圧の異なる回路間の情報伝達やノイズ除去を目的として様々な機器で用いられている。現在実用化されているフォトカプラは、発光ダイオードを用いているために、超高速と呼ばれるものでも１０Ｍｂｐｓ程度であるが、本発明を用いることにより大幅な高速化が可能である。また、安価に作製可能であることや構造が単純であることから、比較的早期に実用化可能であると考えられる。
【００５３】
本発明に係る第７実施形態であるフォトカプラの基本構成を図１１（Ａ）に、内部構成を図１１（Ｂ）に示す。
【００５４】
図において、５２はリードフレーム、５４は、発光素子１０及び受光素子５０を覆う半透明エポキシ樹脂、５６は、該半透明エポキシ樹脂５４の周囲を覆う黒色エポキシ樹脂である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の特徴である、高速変調性、微小光源、シリコン上への集積可能を利用して、光集積回路（ＰＩＣ）や光・電子集積回路（ＯＥＩＣ）内のチップ内光配線・光回路用光源や、チップ間・ボード間光配線用光源として用いることが期待される。
【符号の説明】
【００５６】
１０…金属カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１２、１４…電極
２０…基板
２１…ＳｉＯ2膜
２２…透明基板
３２…光ファイバ
３４、３６…コア
３８…クラッド
４０…誘電体薄膜
４２…薄膜ミラー
５０…受光素子
【図１】
2011135978.tif 000003
【図２】
2011135978.tif 000004
【図３】
2011135978.tif 000005
【図４】
2011135978.tif 000006
【図５】
2011135978.tif 000007
【図６】
2011135978.tif 000008
【図７】
2011135978.tif 000009
【図８】
2011135978.tif 000010
【図９】
2011135978.tif 000011
【図１０】
2011135978.tif 000012
【図１１】
2011135978.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月23日(2011.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、
該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブと、
少なくとも前記金属カーボンナノチューブの表面を覆う絶縁体とを備え、
前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、変調可能な発光を行うようにしたことを特徴とするカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項２】
複数の電極と、
該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブとを備え、
前記カーボンナノチューブが真空中に保持され、
前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、変調可能な発光を行うようにしたことを特徴とするカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項３】
前記金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブ発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボンナノチューブ発光素子を備えたことを特徴とする光源。
【請求項５】
金属カーボンナノチューブが、光ファイバと直交するように、透明基板上に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項６】
金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設され、該基板の表面と平行な方向に発光するようにされていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項７】
金属カーボンナノチューブ及び電極が基板上に配設され、該基板の表面と垂直な方向に発光するようにされていることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボンナノチューブ発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
［００１９］
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、複数の電極と、該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブと、少なくとも前記金属カーボンナノチューブの表面を覆う絶縁体とを備え、前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、発光波長域の広い高速変調可能な発光を行うようにして、前記課題を解決したものである。
本発明は、又、複数の電極と、該電極間に配設された、少なくとも一部に金属カーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブとを備え、前記カーボンナノチューブが真空中に保持され、前記電極への通電により金属カーボンナノチューブが発熱して発光する黒体放射によって、変調可能な発光を行うようにして、前記課題を解決したものである。
［００２０］
ここで、前記金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設して、放熱性を高めることができる。
［００２１］
［００２２］
本発明は、又、前記のカーボンナノチューブ発光素子を備えたことを特徴とする光源を提供するものである。
［００２３］
ここで、金属カーボンナノチューブを、光ファイバと直交するように、透明基板上に配設することができる。
［００２４］
又、金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設し、該基板の表面と平行な方向に発光するようにすることができる。
［００２５］
あるいは、金属カーボンナノチューブ及び電極を基板上に配設し、該基板の表面と垂直な方向に発光するようにすることができる。
［００２６］
本発明は、又、前記のカーボンナノチューブ発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラを提供するものである。
発明の効果
［００２７］
本発明によれば、金属カーボンナノチューブに電極を形成するだけで、高速変調可能な発光素子が得られる。この変調性は、光通信に応用した場合、最低でも１〜３Ｇｂｐｓ程度の超高速通信が期待される。また、Ｓｉ基板など様々な基板上に集積して作製することも容易である。そのため、光ファイバを用いた光通信や集積回路上への発光素子作製による光集積回路など、極めて多くの電子・情報通信分野に応用可能である。
［００２８］
また、本発明によれば、従来の発光ダイオードやレーザーダイオードでは不可能な広い波長範囲において連続的なスペクトル（連続スペクトル光源）
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
［００３２］
本発明の第１実施形態である発光素子は、図２に示す如く、一本（一束）の金属カーボンナノチューブまたは複数の金属カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０を含むカーボンナノチューブ薄膜に対してソース電極１２とドレイン電極１４を形成した素子構造を持つ。
［００３３］
基板２０としては、どのような基板を用いても良く、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどソース−ドレイン間が電気的に短絡しなければ、どのような基板を用いても良い。図において、２１は、基板２０上に設けられたＳｉＯ２膜である。
［００３４］
電極１２、１４の形状は、矩形などどのような形状でも良く、発光面積を増やすために櫛型電極にしても良い。また、電極材料は電流が流れる材料であれば、どのような材料でも良く、金属でも半導体でも良い。
［００３５］
図２に示したようにカーボンナノチューブ１０は、ソース−ドレイン電極間に配置される。電極間のカーボンナノチューブは、一本・一束のカーボンナノチューブでも複数のカーボンナノチューブでも良い。複数のカーボンナノチューブの場合は、歩留まりおよび発光強度が向上する。また、カーボンナノチューブであれば、化学気相成長法、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＨｉＰｃｏ法など、どのような成長法によるカーボンナノチューブを用いても良い。また、複数のカーボンナノチューブを用いる場合、複数のカーボンナノチューブの中に一本以上の金属カーボンナノチューブが含まれていれば、金属カーボンナノチューブから発光するため、半導体カーボンナノチューブと金属カーボンナノチューブが混在していてもよい。また、電気泳動や遠心分離により金属カーボンナノチューブのみを分離したものを用いてもよい。
［００３６］
第１実施形態の発光素子で用いるカーボンナノチューブ１０は、基板２０に横たわって接触しているものでも良く、カーボンナノチューブの両端のみが基板に支えられた架橋カーボンナノチューブでも良い。また、カーボンナノチューブは、ＳｉＯ２またはガラスやサファイアなどの絶縁体材料に覆われているカーボンナノチューブでも良い。カーボンナノチューブは大気中に露
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
出していると、大気中の酸素と反応して損傷するが、カーボンナノチューブが絶縁体材料に覆われているか、真空中に保持されていれば、酸素との反応によるカーボンナノチューブの損傷を防ぐことが出来る。
［００３７］
第１実施形態の発光素子に電圧（４Ｖ）を印加した際の発光スペクトルの例を図３に示す。この発光素子は、基板２０に横たわって接触している多数のカーボンナノチューブ１０を用いた発光素子の例である。長波長側に見られる緩やかな発光は、通電によりカーボンナノチューブ１０が発熱することによる黒体放射による発光である。この長波長側の発光に対して、パルス電圧を印加した際の発光の時間分解測定の観測結果を図４に示す。また、図４には、印加されているパルス電圧（４Ｖ）から見積もられた発光強度の時間依存性も示されている。両者の結果より、印加したパルス電圧に追随した発光パルスが観測される。この発光の時間分解測定の立ち上がり時間・立ち下がり時間をフィッティングにより計算したところ、立ち上がり１ｎｓ、立ち下がり０．１ｎｓが見積もられ、パルス電圧印加による発光の高速変調が可能であることが確認された。この結果は、高速変調された電圧印加に伴い、高速での発光変調が可能であることを示しており、立ち上がり・立ち下がり時間から１Ｇｂｐｓ程度以上の高速光通信が可能であることを示している。また、図５（ａ）に示すような構成の測定装置で、一回の励起によって発生する全光子の時間軸上での強度分布が、一回の励起によって最初に発生する素子１個の時間軸上での発生確率と一致することを利用して、パルス電源６０から１ｎｓのパルス電圧（４Ｖ）を金属ＣＮＴ１０に印加した際にＡＰＤ６２で検出した発光の単一素子計数装置６４による時間分解測定の結果を図５（ｂ）に示す。ＣＮＴ黒体放射発光の応答速度が少なくとも１ＧＨｚ程度であることが確認できた。この時間分解測定は、カーボンナノチューブからの発光を光ファイバを通して測定しており、この発光素子が光ファイバを用いた高速光通信に用いることができることを示している。
［００３８］
この黒体放射による発光の高速変調は、（１）カーボンナノチューブが直
【国際調査報告】
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